Обоснование и выбор параметров системы гидротурбинного привода горной машины для подводной добычи железомарганцевых конкреций

На правах рукописи

ЕКИМОВ Николай Александрович

Обоснование и выбор параметров системы гидротурбинного привода горной машины для подводной добычи железомарганцевых конкреций

Специальность 05.05.06 – Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном

учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель –

Доктор технических наук, профессор

Б.С. Маховиков

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

И.П. Тимофеев

Кандидат технических наук

Н.В. Братчиков

Ведущее предприятие – ФГУП “ВНИИОкеангеология им.И.С. Грамберга”.

Защита диссертации состоится 30 сентября 2009 г. в 16 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 28 августа 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с ростом потребления промышленностью минерального сырья и, в частности, марганца, месторождения полезных ископаемых будут интенсивно отрабатываться. На территории Российской Федерации запасы марганца не велики. Между тем на дне морей и океанов сосредоточены большие запасы полезных ископаемых и по мере сокращения их на суше подводные месторождения полезных ископаемых будут приобретать все большее промышленное значение. Поэтому вопросы, связанные с совершенствованием приводов подводных машин, являются актуальными.

Вопросами разработки технологии и оборудования для подводной добычи полезных ископаемых на шельфе и совершенствованием приводов горных машин занимались такие ученые, как В.В. Ржевский, Г.А. Нурок, И.П. Тимофеев, В.Б. Добрецов, Б.С. Маховиков, Л.Л. Лифшиц, В.Г. Лешков, Г.М. Лезгинцев, Дж. Кенни, П. Кауш, В.И. Медведков, О.В. Батаев, А.С. Горбачев.

В этих работах обосновываются системы разработки и принципиальные схемы добычных устройств, однако эффективные технические средства, их приводы для разработки полезных ископаемых на дне морей и океанов отсутствуют. В связи с этим разработка привода подводной горной машины для подводной добычи полезного ископаемого является актуальной задачей и для успешного решения требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Цель работы – научное обоснование и установление закономерностей, позволяющих выявить рациональные параметры системы с гидротурбинным приводом, обеспечивающей устойчивую работу подводной добычной машины с максимальной мощностью на исполнительном органе и использующей в качестве источника энергии гидростатическое давление, определяемое глубиной погружения.

Идея работы – работа подводного гидротурбинного привода добычных машин с максимальной мощностью при переменном характере изменения внешних нагрузок и использовании источника постоянного давления обеспечивается путем одновременного изменения определяющих факторов на основе функциональных зависимостей, связывающих их с нагрузкой и мощностью на его исполнительном органе и определяемых на стадии проектирования добычной системы.

Основные задачи:

1. Провести анализ работы гидротурбинных приводов подводных добычных машин и определить области изменения значимых факторов.
2. Разработать алгоритм функционирования системы гидротурбинного привода подводной добычной горной машины, обеспечивающий ее работу с максимальной мощностью на выходном валу турбины и выполнить компьютерное моделирование работы устройства.
3. Получить математическое описание и разработать устройство для реализации полученного алгоритма функционирования.
4. Разработать стенд и план факторного эксперимента, построить экспериментальные статические и динамические характеристики физической модели устройства.
5. Разработать методику расчета параметров подводного гидротурбинного привода горной машины, обеспечивающего устойчивую работу при максимуме полезной мощности.

Методы исследований: при решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали составление блочных и принципиальных схем, их математическое описание, компьютерное моделирование, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования включали создание физической модели, разработанной системы гидропривода, разработку многофакторных планов, проведение экспериментов при широком диапазоне регулирования основных параметров. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.

Защищаемые научные положения:

1. При использовании источника постоянного входного давления режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью определяется путем совместного решения уравнений связи между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой, мощностью и конструктивными параметрами турбины, что позволяет определить геометрическое место точек рабочих режимов и максимальных мощностей.

2. При работе горной машины по добыче железомарганцевых конкреций и переменном характере изменения внешних условий среды следует использовать алгоритм управления, обеспечивающий режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью, определяемый путем выбора сработанного давления как функции угловой скорости и нагрузки на исполнительном органе, а также скорости передвижения устройства.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлено, что для подводного гидротурбинного привода, работающего с источником постоянного давления, имеется функциональная зависимость между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой и конструктивными параметрами, обеспечивающая его устойчивую работу с максимальной мощностью.

2. Получены аналитические зависимости, позволившие разработать методику определения режимных параметров, обеспечивающую максимальную мощность подводного гидротурбинного привода при непрерывном изменении нагрузок.

3. Выявлены зависимости, позволившие разработать методику определения конструктивных параметров гидротурбинного привода по результатам испытаний его физической модели в режиме холостого хода и торможения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена теоретическими исследованиями, результатами лабораторных экспериментов, сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математической статистики и регрессионного анализа. При этом среднеквадратичное отклонение расчетных и фактических значений параметров не превышало 1,5-5%.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика расчета параметров подводных гидротурбинных приводов, обеспечивающая устойчивую работу при максимуме полезной мощности.

2. Разработан алгоритм, обеспечивающий максимальную мощность на валу исполнительного органа при переменных нагрузках.

3. Разработан алгоритм определения статических и динамических характеристик гидротурбинного привода.

4. Разработан стенд для испытаний физических моделей подводных гидротурбинных приводов, позволяющий определять их статические и динамические характеристики во всем диапазоне изменения нагрузок.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (технический университет) в 2006-2009 гг., на IV Международной научно-практической конференции “Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горно-добывающих и перерабатывающих предприятий” в 2009 г., на VII Межрегиональной научно-практической конференции “Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения” в 2009 г., на заседаниях кафедры Рудничных стационарных установок Санкт-Петербургского государственного горного института (технический университет).

Личный вклад соискателя:

1. Разработан алгоритм, обеспечивающий работу гидротурбинных приводов с максимальной мощностью.

2. Разработано устройство, реализующее алгоритм работы гидротурбинных приводов с максимальной мощностью.

3. Получены зависимости между угловой скоростью, сработанным давлением, нагрузкой и скоростью движения подводной добычной машины, позволяющие определить рациональный режим работы.

4. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий имитировать условия работы добычного модуля под водой, в частности, ступенчатое изменение нагрузки на исполнительном органе.

5. Разработана методика определения на стадии проектирования параметров работы подводного радиального гидротурбинного привода в режиме максимальной мощности при переменных внешних нагрузках.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 патент Российской Федерации. В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 128 страницах, содержит 44 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 89 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, исходя из необходимости создания специальной техники для разработки полезных ископаемых шельфовой зоны морей и океанов.

В первой главе работы произведен анализ известных способов и систем добычи подводных россыпных месторождений. Рассмотрены преимущества и недостатки существующих способов добычи полезного ископаемого со дна морей и океанов, изучены существующие схемы и конструкции гидротурбинных приводов подводных добычных машин, включающих радиальные, активные, наклонно-струйные и осевые турбины, оценена возможность их работы в морской среде, проведен сравнительный анализ их достоинств и недостатков.

Также рассмотрены нагрузки, действующие на исполнительный орган подводных машин при сборе конкреций на шельфе. На основе проведенного сравнительного анализа сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке устройства, обеспечивающего работу подводного гидротурбинного привода в режиме максимально полезной мощности, изучены виды потерь энергии в проточной части, создана математическая модель процессов, протекающих в проточной части радиальной гидравлической турбины, получены зависимости для нахождения параметров рациональной работы привода, разработан алгоритм регулирования подводной добычной машины, рассчитана динамика привода.

В третьей главе приведено описание экспериментального стенда, представлена методика и результаты экспериментальных исследований, дана оценка адекватности теоретической модели полученным экспериментальным данным, определены конструктивные коэффициенты радиального гидротурбинного привода. Для обработки полученных данных использовались теория планирования эксперимента и регрессионный анализ. Дана оценка адекватности теоретических и опытных результатов.

В четвертой главе приведены методики расчета на стадии проектирования режимных параметров, обеспечивающих максимальную полезную мощность на валу подводного радиального гидротурбинного привода, работающего с использованием постоянного давления.

Заключение содержит основные выводы и рекомендации по результатам диссертационной работы.

1. При использовании источника постоянного входного давления режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью определяется путем совместного решения уравнений связи между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой, мощностью и конструктивными параметрами турбины, что позволяет определить геометрическое место точек рабочих режимов и максимальных мощностей.

На основе анализа работы подводных добычных комплексов для донных месторождений полезных ископаемых включающих (рис.1) базовое судно 1, самоходную придонную добычную машину 3, перемещающуюся по дну и обеспечивающую отделение твёрдого полезного ископаемого от донной поверхности, гибкий пульпопровод 4, соединяющий всасывающее сопло придонного агрегата с подводным модулем 2, имеющим в своем составе землесос и привод для напорного транспортирования пульпы, предложено устройство с гидротурбинным приводом (рис.2).

Целесообразность применения гидротурбинных приводов объясняется тем, что работа такого привода обеспечивается перепадом давлений между подводным модулем и поверхностью океана и не требует специальных насосов и электрооборудования. Как объект управления работа привода определяется конструктивными и технологическими параметрами – расходом гидротурбины, моментом на валу, мощностью, сработанным давлением, скоростью вращения исполнительного органа, скоростью перемещения машины, удельным сопротивлением породы резанию. Турбинный двигатель имеет “мягкие” механические характеристики, что позволяет уменьшить динамические нагрузки в конструкции добычной машины, а дистанционное управление такими двигателями реализуется сравнительно простыми методами, т.е. изменением проходного сечения в отводящем трубопроводе.

Одновременный учет всех факторов и параметров в подводных условиях представляет сложную задачу, которая может быть решена с помощью аналитических и экспериментальных исследований, проводимых на физической модели.

Расход гидротурбины определяется из выражения:

, (1)

где с, L, и Е – конструктивные параметры гидротурбины, F0 – площадь проходного сечения подводящего трубопровода, т – угловая скорость гидротурбины.

Для упрощения выражения можно записать:

, (2)

где ; ; .

Для вычисления момента, создаваемого рабочим колесом гидротурбины в заданном режиме ее работы, используем следующую формулу:

, (3)

где св – константа, характеризующая конструкцию проточной части рабочего колеса, D2 – внутренний диаметр решетки лопастей.

После преобразований получим формулу для определения момента:

, (4)

где ; .

Момент сопротивления на исполнительном органе можно определить из следующего выражения:

, (5)

где qp – сопротивление грунта резанию Н/мм2; - число резцов, одновременно участвующих в резании; m – число резцов в линии резания , причем значение m должно быть принято равным большему целому из величин, определённых по формулам; v – скорость движения машины, м/с; R – радиус барабана, м; - угловая скорость вращения исполнительного органа, с-1.

Для упрощения выражения введем коэффициент f, который будет равен: так как правая часть выражение постоянна, тогда выражение для момента сопротивления примет вид:

(6)

Основные уравнения расхода Q, момента турбины М и момента сопротивления резанию Мс представляем в безразмерной форме:

; ; ; ;

; ; ; .

, (7)

здесь параметры Q0, N0, M0, M0c, p0, 0, v0 и f0 соответствуют базовому режиму; параметры , , , , , , и – безразмерным величинам; А1, А2, А3, А4, А5, А6 – безразмерные коэффициенты, характеризующие конструктивные параметры турбины и параметры базовых режимов; р – сработанное давление; f – удельное сопротивление резанию; v – скорость движения машины; - угловая скорость вращения турбины.

Рабочий режим соответствует базовому режиму при значениях безразмерных параметров, равных единице (рис.3.) в точке С графика момента на валу турбины и момента сопротивления . Этому режиму соответствует мощность и сработанное давление в турбине. При этом рабочая зона не обязательно будет соответствовать максимальной мощности.

Решение системы уравнений (7) относительно величины дает результат:

(8)

Из формулы (8) следует, что рабочий режим определяется четырехмерной областью факторов – сработанным давлением , скоростью передвижения устройства , угловой скоростью на исполнительном органе и нагрузкой .

Задача упрощается, если величины, например и , считать неизменными, что может быть достигнуто при постоянной скорости перемещения самоходной придонной добычной машины и постоянном сопротивлении рыхления грунта.

Исследуя мощность на валу гидротурбины на экстремум, получим выражение определяющее максимальную мощность гидротурбины в области параметров и

, (9)

где К1-4 – коэффициенты, определяемые конструктивными параметрами и начальными условиями.

Таким образом, приведенная система уравнений определяет необходимое давление и угловую скорость гидротурбинного привода, обеспечивающего максимально возможную мощность. Эти режимы изображены на рис.4, где показано, что точка А является пересечением графиков Nmax и и определяет давление и угловую скорость турбины, обеспечивающие максимальную мощность рабочего режима турбины. Точка В определяется пересечением графиков момента турбины и сопротивления при максимальной мощности, точка С показывает значение максимальной мощности при заданных величинах и .

При изменении условий ведения горно-добычных работ, например, ступенчатого увеличения или уменьшения крепости разрабатываемой породы, резко изменяется момент сопротивления резанию на исполнительном органе – 3II (рис.5.). Это приводит к сбою, работы подводного добычного комплекса, поскольку не обеспечивается максимальная мощность его работы. Стабилизировать режим работы комплекса можно изменением проходного сечения в отводящем трубопроводе, что приводит к изменению величины скорости подачи и сработанного давления (рис.5., пересечение графиков Nmax и в точке А).

Таким образом, можно утверждать, что режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью определяется путем решения уравнений связи (6)-(9) между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой, мощностью и конструктивными параметрами и построением механических характеристик определяющих геометрическое место точек рабочих режимов и максимальных мощностей.

2. При работе горной машины по добыче железомарганцевых конкреций и переменном характере изменения внешних условий среды следует использовать алгоритм управления, обеспечивающий режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью, определяемый путем выбора сработанного давления как функции угловой скорости и нагрузки на исполнительном органе, а также скорости передвижения устройства.

Для реализации алгоритма предложена блок-схема системы гидротурбинного привода горной машины для подводной добычи железомарганцевых конкреций (рис. 6).

На этой схеме показан рыхлитель 1 с турбинным приводом 2 и ходовой тележкой с приводом 3. Угловая скорость турбины т и скорость хода регистрируется соответствующими датчиками 5 и 6. Сигналы от этих датчиков поступают в устройство по обработке сигналов, в качестве которого может быть применен компьютер. Регулятор через усилитель и исполнительный механизм перемещает задвижку до тех пор, пока давление не станет равным заданному.

Алгоритм управления подводной добычной машины определяется следующими положениями:

- по заданным значениям f и v строим линии рабочих режимов и максимальной мощности (графики рNmax и р рис.4.) и определяем оптимальное давление ропт и опт в точке А;

- задавшись давлением ропт, решаем систему уравнений (7) и определяем момент на валу турбины для опт;

- по уравнению (9) определяем значение максимальной мощности Nmax;

- давление ропт используется в качестве задания для автоматической системы поддержки давления;

- в процессе работы измеряем текущее значения давления р, угловой скорости и скорости перемещения v и корректируем задание регулятору давления рзад.

При лабораторных испытаниях алгоритм был реализован на стенде, схема которого приведена на рис. 7.

Стенд состоит из бака 1, в который помещен испытываемый гидротурбинный двигатель 2. Выходной вал двигателя выведен наружу через сальник и соединен упругой муфтой с нагрузочным устройством, состоящем из машины постоянного тока 6, тиристорного преобразователя 7 с блоком формирования сигнала 9, имитирующего момент сопротивления на рыхлителе и элемента сравнения 8.

Выходной патрубок гидротурбинного двигателя 2 соединен через управляемый клапан 14 со сливным баком 20. Управление клапаном 14 производится с помощью автоматического регулятора 13 по сигналам оптимального управления, формируемым с помощью компьютера 10.

Глубина погружения гидротурбинного двигателя имитируется с помощью насоса 21, выходной патрубок которого соединен с баком 1, и клапаном 4. Клапан 4 управляется автоматическим регулятором 5, который обеспечивает поддержание постоянного давления в баке 1 в соответствии с сигналом задания.

Для контроля основных величин установлены расходомер 16, включающий нормальную диафрагму 17, дифференциальный манометр 18 и вторичный прибор 19, датчик угловой скорости 12, датчики давления 15 и 3 на выходе из гидротурбинного двигателя перед клапаном 14 и в баке 1, осциллограф 11.

Перед проведением испытаний клапаны 4 и 14 закрываются, включается насос 21 и производится заполнение бака 1. Регулятору 5 дается задание на поддержании постоянного давления в баке 1. Затем включаются все устройства.

После заполнения бака включаются устройства 6, 7, 10 и привод приходит в действие.

Геометрические и технологические параметры модельного образца:

Dm=D0/mD, Dm=0,159 м -диаметр рабочего колеса модели; bm=b0/mD, bm =6,4 мм – высота лопасти; bm(о)=b0(о)/mD, bm(о) =32 мм – ширина спиральной камеры; D2m=D2o/mD, D2m=55,6 мм – внутренний диаметр решетки лопастей; D3m=D3o/mD, D3m=48 мм – выходной диаметр переднего диска колеса, все геометрические углы входа и выхода потока в рабочее колесо у объекта и физической модели равны.

На стенде были определены коэффициенты, входящие в уравнения (2), (4), в режиме холостого хода (М=0) и останова при максимальной нагрузке (тормозном =0).

Из рис. 8-10 следует, что с увеличением расхода Q или момента М сработанное давление увеличивается, тем самым, повышая мощность. Эти графики необходимы для определения конструктивных коэффициентов а, b, c’, a1 и b1 в формулах (2) и (4). Доказано, что полученные результаты адекватны теоретическим (рис.11) с доверительной вероятностью 0,95.

Таким образом, предложенный алгоритм управления подводной горной машиной по добычи железомарганцевых конкреций со ступенчатым характером изменения внешних условий среды обеспечивает режим работы гидротурбинного привода с максимальной мощностью при выборе сработанного давления как функции угловой скорости и нагрузки на исполнительном органе, а также скорости передвижения устройства в зависимости от рабочих и конструктивных параметров.

Заключение

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой на базе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований содержится новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в обосновании и выборе параметров системы гидротурбинного привода горной машины обеспечивающей повышение эффективности подводной добычи железомарганцевых конкреций.

1. Доказано, что использование зависимостей между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой, мощностью и конструктивными параметрами позволяет увеличить мощность гидротурбинного привода на 15-30 % при непрерывном изменении внешних условий.

2. Экспериментально установлено, что предложенный алгоритм управления подводной горной машины, реализованный на физической модели, обеспечивает максимальную мощность гидротурбинного привода в пределах 12-30 м глубины погружения подводного модуля, угловой скорости в диапазоне 40-140 с-1 и скорости перемещения ходовой тележки от 0,1 до 1 м/с.

3. Показано, что для подводной добычи полезных ископаемых целесообразно в качестве привода исполнительного органа добычной машины использовать радиальный гидротурбинный привод, работа которого обеспечивается перепадом давлений между подводным модулем и поверхностью океана и не требует специальных насосов и электрооборудования.

4. Разработана методика расчета параметров подводных гидротурбинных приводов, обеспечивающих устойчивую работу при максимуме полезной мощности.

5. Разработана методика определения конструктивных параметров гидротурбинного привода по результатам испытаний модельного образца в режиме холостого хода и торможения.

6. Разработан алгоритм определения статических и динамических характеристик радиального гидротурбинного привода подачи исполнительного органа.

7. Использование результатов исследования, в частности, разработанного устройства для управления системой гидротурбинного привода повышает производительность добычи полезного ископаемого и увеличивает время безотказной работы гидротурбин.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Екимов Н.А. Анализ потерь энергии в гидравлической ступени // Записки Горного института, 2008, Т. 173. С.83-86.

2. Екимов Н.А. Профилирование решетки гидротурбины для привода подводных горных машин // Записки Горного института, 2008, Т. 182. С.78-80.

3. Екимов Н.А. Обоснование параметров гидротурбины для привода механизмов при глубоководной добыче твердых полезных ископаемых / Н.А. Екимов, Б.С. Маховиков // Записки Горного института/ 2008, Т. 178. С.59-64.

4. Патент № 2352783 Российской Федерации, МПК Е 21 С 50/00. Прямоточная многоступенчатая гидротурбина / Маховиков Б.С., Незаметдинов А.Б., Шорников В.В., Екимов Н.А.// - 2007147540; заявлено 19.11.07; Опубл. 20.04.09, бюл. №11. приоритет 19.11.07 – 3 с.: ил.

5. Кабанов О.В. Автоматизированный гидротурбинный привод подводных горных машин / О.В. Кабанов, Н.А. Екимов // Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих предприятий. IV Международная научно-практическая конференция; СПГГИ(ТУ), СПб, тезисы, 2009. С. 25.

6. Екимов Н.А. Физическое моделирование гидротурбинных приводов подводных горных машин / Н.А. Екимов, О.В. Кабанов // Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения. Труды 7-й межрегиональной научно-практической конференции, 2009, Воркута: ВГУ, С. 344-348.